飛行仿真VV&A研究綜述

(空軍航空大學，吉林長春，130000)

引言

進入21世紀以來，高技術戰(zhàn)爭對系統(tǒng)仿真技術提出了更高的要求。工程實踐表明:要想讓飛行仿真系統(tǒng)真正具有生命力，必須對系統(tǒng)的建模與仿真進行可信性研究，而且應該將它貫穿于系統(tǒng)建模與仿真全生命周期中。其中仿真的可信性研究又常稱為“校核、驗證與確認(Verification,Validation and Accreditation, VV&A)”。

本文在回顧國內外飛行仿真VV&A研究的基礎上，對仿真VV&A的概念、原則進行了闡述，并結合實際，詳細分析了適用于飛行仿真系統(tǒng)VV&A的方法和過程。同時，針對飛行仿真系統(tǒng)VV&A存在的問題，提出它的發(fā)展方向。

1 飛行仿真VV&A的國內外研究現(xiàn)狀

上世紀70年代開始，世界范圍內就開始出現(xiàn)了用于培訓民航客機駕駛員和軍用飛機飛行員的飛行訓練模擬器的仿真系統(tǒng)產品。90 年代以后，人們將模型校驗的研究推廣到整個建模與仿真領域。比如，1989年，Krishnakumar運用飛行試驗數據重構的方法，驗證了UH-60直升機的非線性模型。1994年，Schkolnik應用基于頻域的系統(tǒng)辨識方法，通過飛行試驗數據驗證了F-15戰(zhàn)斗機的數字仿真模型。1996年，Bonner 對美國海軍的F/A-18A/B/C/D戰(zhàn)斗機的氣動模型進行了全面系統(tǒng)的驗證，主要通過誤差分析，比較每個氣動力參數的誤差范圍。1998年，Thomson應用逆系統(tǒng)仿真驗證直升機的數字仿真模型。Ms. Simmene Youngblood[1]等提出了分布交互仿真VV&A的九個參考模型。美國各軍種，包括陸、海、空軍及彈道導彈防御辦公室(BMDO)，也都先后制定了適合各自實際要求的VV&A細則。近幾年來，國際上則加大了對仿真可信度評估標準和規(guī)范的研究，美國航空領域還制定了專門的VV&A 標準或手冊，詳細規(guī)定 VV&A 文檔的內容和格式[2]，包括確認計劃、V&V 計劃、V&V確認報告、V&V 報告等內容，進一步推進了飛行仿真 VV&A 的研究。

在國內，隨著仿真技術的發(fā)展，飛行建模與仿真的可信性研究工作也得到一定程度的推動，主要表現(xiàn)在許多單位開展了飛行建模與仿真的VV&A研究工作，國內的仿真文獻中也開始涉及飛行仿真可信性研究問題，許多學者在這方面作了非常有意義的研究工作。近年來，我國的仿真工作者在基于與實際系統(tǒng)的測試或運行結果相對照的驗證方法的開發(fā)與應用方面的仿真可信性問題也進行了許多有益的探索。比如，2012年，中航工業(yè)綜合技術研究所的張雅妮，李巖，金鐳等人針對單側升降舵卡阻這一典型故障，提出了在該失效狀態(tài)下的模擬器飛行品質評估試驗程序，分別給出了 HQRM 和相應軍用標準評估方法，對軍民評估方法的差異性和一致性進行了分析[3]。2014年，中國飛行試驗研究院的饒秋磊，崔益華，韓意新等人通過數值模擬對飛機的主要飛行品質參數進行仿真計算，并采取對比的方法對計算結果數據曲線與實際試飛數據曲線進行了比較，確定了其仿真計算方法的適用性[4]。但是，總體來說，飛行仿真VV&A的研究與發(fā)達國家及國際先進水平相比，差距還非常大。

2 VV&A的概念、原則

2.1 VV&A的概念

仿真系統(tǒng)的校核、驗證與認定(VV&A)是可信度評估工作[5]的核心和基礎，它通過仿真系統(tǒng)生命周期中的有關活動，對各個階段工作及其成果的正確性和有效性進行全面的評估，從而使之能達到足夠高的可信度水平，來滿足實際應用的需要。

校核(Verification)是確定仿真系統(tǒng)準確地代表了開發(fā)者的概念描述和設計的過程。其任務和目的是證實模型從一種形式轉換成另一種形式時是否具有足夠的精度。

驗證(Validation)是從仿真系統(tǒng)應用目的出發(fā)，確定仿真系統(tǒng)代表真實世界的正確程度的過程。

驗收(Accreditation)是官方地正式地接受仿真系統(tǒng)為專門的應用目的服務的過程。

2.2 VV&A的原則

討論VV&A的原則可以深化對仿真VV&A的概念的理解，對仿真的VV&A理論研究和實踐有重要的指導作用。美國國防部發(fā)表的VV&A建議指導規(guī)范歸納總結了普遍適用的12條VV&A基本原則，用于指導仿真系統(tǒng)VV&A的管理者和工作人員去管理和操作有關的VV&A活動。而Osman Balci等在[6]中總結有關研究資料的基礎上提出了仿真模型校核、驗證與測試(Verification、Validation and Testing)的15條原則。綜合以上材料，歸納總結出VV&A遵循的主要原則應包括：

(1)相對正確原則；

(2)全生命周期原則；

(3)有限目標原則；

(4)必要不充分原則；

(5)全局性原則。

3 飛行仿真VV&A的過程和方法

3.1 飛行仿真VV&A的過程

現(xiàn)代飛行仿真是一復雜的系統(tǒng)工程，其主要包括以下幾個主要部分：

(1)試驗設計和先驗知識的獲取；

(2)系統(tǒng)模型的建立和驗證；

(3)飛行仿真系統(tǒng)的設計與構成；

(4)飛行仿真試驗研究分析。

由此，提出飛行仿真系統(tǒng)的建模過程，如表1所示，

表1 飛行仿真的12步建模過程

VV&A計劃設計VV&A的計劃草案階段報告確認標準與規(guī)范確認功能與性能價格比驗證系統(tǒng)概念模型驗證環(huán)境模型驗證可靠性設計驗證軟件的功能驗證系統(tǒng)的精度驗證協(xié)調指標確認與認證報告認證系統(tǒng)試驗結果認證與報告認證系統(tǒng)認證相關文檔及其可塑性

3.2 飛行仿真VV&A的方法

建模與仿真的校核與驗證方法是在仿真VV&A過程中為了完成VV&A工作各階段目的而采用的各種技術、工具、策略等的總稱。

美國DMSO的VV&A建議實踐指南總結了可用于建模與仿真VV&A的76種校核與驗證方法。這些VV&A方法又被分為非正式方法、正式方法、靜態(tài)方法和動態(tài)方法四大類，這四類方法的數學性、邏輯性和復雜性逐漸加強。

(1)非正式方法

“非正式方法”在VV&A中最常用,是正規(guī)的指導下的非常有效的方法，但它的缺點是嚴重依賴于人的推理與主觀判斷。主要有審查法、檢查法、表面驗證法和圖靈測試法。

(2)正式方法

“正式方法”是基于正確性的正式的數學證明。但由于當前的正式證明技術的局限性，這種方法不能應用到一個略為復雜的實際建模與仿真中去。主要有歸納、推理、邏輯演繹、謂詞運算、謂詞變換和正確性證明。

(3)靜態(tài)方法

“靜態(tài)方法”評估靜態(tài)模型設計和源代碼，它不需要模型的機器執(zhí)行，但需要手工執(zhí)行。這種方法應用廣泛，有許多自動化工具可以輔助該方法。靜態(tài)技術可以校核驗證大量信息，如模型結構、建模技術、模型中的數據、控制流和語法精度等。主要有語法分析、語義分析、結構分析、因果圖、控制分析和數據流分析。

(4)動態(tài)方法

“動態(tài)方法”需要模型執(zhí)行，大多數動態(tài)方法需要加入模型探測器，即在執(zhí)行模型中加入附加的代碼，收集模型執(zhí)行中行為的信息。探測位置是在模型靜態(tài)結構分析的基礎上，手工或自動獲得的。這種方法是實際中較為有效的方法，應用于校核驗證建模與仿真的動態(tài)方面。主要有自頂向下、自底向下、黑盒法、白盒法、執(zhí)行追蹤、執(zhí)行監(jiān)測接受測試、回歸測試、統(tǒng)計技術和圖形比較。

4 我國飛行仿真VV&A研究出現(xiàn)的問題及其發(fā)展方向

4.1 我國飛行仿真VV&A研究需要解決的問題

近年來，隨著飛行仿真系統(tǒng)復雜性、逼真度、精確度和實時性要求的提高，我國飛行建模與仿真VV&A在發(fā)展過程中需要解決以下幾個關鍵問題：

(1)飛行仿真VV&A發(fā)展政策

(2)權威的VV&A數據和文檔

(3)有效的VV&A支撐工具

4.2 我國飛行仿真VV&A的發(fā)展方向

系統(tǒng)仿真未來的發(fā)展方向是規(guī)范化、產業(yè)化和標準化。因此，為了使我國仿真VV&A研究不斷走向成熟，國家規(guī)劃和管理部門應成立專門機構，制訂我國航空仿真VV&A標準和規(guī)范，使VV&A向標準化、規(guī)范化、工業(yè)化和產業(yè)化方向發(fā)展。

其次，未來仿真技術的研究將集中于大規(guī)模復雜系統(tǒng)的仿真，主要特點是超大規(guī)模、模糊化和智能化[8]。在軟件方面，將支持面向對象的仿真開發(fā)語言、通用或專用仿真軟件包等綜合在一起，形成一個功能強大、信息資料齊全和結構完整的集成化建模、驗模與仿真環(huán)境，這無疑也是飛行仿真發(fā)展的一個趨勢。

另外，遙科學與虛擬現(xiàn)實[9]的結合將成為遙科學應用研究和系統(tǒng)仿真在未來一個時期人們關注的熱點，也是飛行仿真技術走向更高層次的一個契機。

5 結語

本文回顧了國內外飛行仿真VV&A研究概述，對國內外近年來VV&A的概念研究、方法研究進行系統(tǒng)的歸納，指出了我國VV&A理論的研究尚存在很大的不足。然后，本文對仿真VV&A的概念、原則進行了具體闡述，并詳細分析了適用于飛行仿真系統(tǒng)VV&A的12步建模過程，總結分析了VV&A研究方法中具有代表性的非正式方法、正式方法、靜態(tài)方法和動態(tài)方法四類研究方法。最后，指出了我國在飛行仿真系統(tǒng)VV&A實際研究中存在的問題，為VV&A的進一步研究指明了方向，也為飛行仿真技術的應用和發(fā)展提供了新的思路。